Erarbeitung eines Laborversuches Protokollanalyse VoIP

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1 Deutsche Telekom AG Fachhochschule Leipzig Erarbeitung eines Laborversuches Protokollanalyse VoIP Diplomarbeit Mario Moye

2 Deutsche Telekom AG Fachhochschule Leipzig Erarbeitung eines Laborversuches Protokollanalyse VoIP Angefertigt von: Moye, Mario (97 314) Beginn: 05. März 2001 Ende: 29. Juni 2001 Erstprüfer / Betreuer: Zweitprüfer / Betreuer: Dipl.-Ing. J. Hempel Dipl.-Ing. (FH) M. Maruschke

3 Vorwort Der Begriff Voice over IP (VoIP) steht für die Konvergenz von Telefonie- und Daten-Netzen. Bereits heute wird diese Technologie im Carrier- und Unternehmens-Bereich eingesetzt. Dadurch lassen sich die Netz-Betriebskosten senken und die Flexibilität bei der Entwicklung neuer Dienste und Anwendungen steigern. Diese Flexibilität wird durch die sehr weite Verbreitung des Internet Protokolls (IP) und dessen Unabhängigkeit vom Netztyp erreicht. Der Schwerpunkt dieser Diplomarbeit besteht in der Analyse der von der ITU-T spezifizierten H.323-Dachempfehlung in Bezug auf deren Umsetzung im Labornetz der Fachhochschule Deutsche Telekom AG in Leipzig. In diesem Rahmen erfolgte eine intensive Beschäftigung mit der VoIP-Technologie und der vorhandenen Protokollanalysetechnik. Diese Diplomarbeit ist gleichzeitig der Abschluß eines vierjährigen Studiums der Nachrichtentechnik an der Fachhochschule der Deutschen Telekom AG in Leipzig. Aus diesem Grund gilt an dieser Stelle der Dank allen Dozenten und Lehrkräften für die Themenvermittlung und Unterstützung während dieser Ausbildung. Für die Unterstützung bei der Erarbeitung dieser Diplomarbeit sei insbesondere den Betreuern Herrn Dipl. Ing. Jürgen Hempel und Herrn Dipl. Ing. (FH) Michael Maruschke gedankt. Leipzig, Juni 2001 Mario Moye

4 Inhalt Abkürzungsverzeichnis Einleitung Einstieg in die VoIP Technologie Motivation und Einsatzszenarien Parameter der Verbindungsqualität Quality of Service Anforderung Die H.323 Protokollfamilie Der H.323-Protokoll-Stack Der HiNet-Protokoll-Stack Die H.323-Zone und ihre Elemente Control Protocol H Allgemeines zu H Registration, Admission and Status Channel (RAS-Channel) Funktionalität des RAS-Kanals Gatekeeper Discovery Endpoint Registration Admission Messages Disengage Messages Status Messages Weitere RAS-Kanal-Nachrichten Call Signalling Protocol Q Call Signalling Channel Multimedia Control Protocol H Allgemeines zu H H.245 Control Procedures Überblick Capability-Exchange Procedure Master-Slave-Determination-Procedure Logical-Channel-Signalling-Procedure Round-Trip-Delay-Procedures Weitere wichtige H.245-Meldungen Inhalt

5 3.5.3 H.245 Control Channel Routing Fast Connect Procedure H.245 Tunneling Medientransport und Steuerung mit RTP/RTCP Real-Time Transport Protocol (RTP) Real-Time Transport Control Protocol (RTCP) Facsimile over H.323-Systems following T H.323-Anruf-Ablaufschema Die Laborkonfiguration Die HiNet RC Basissysteme Einbindung der ISDN-Router Das VoIP-Laborkonzept Der VoIP-Laborversuch Vorteile und Grenzen der VoIP-Technologie Zusammenfassung und Anregungen Anhangverzeichnis Anhang A - Laborversuch Protokollanalyse VoIP Anhang B - Kurzbedienungsanleitung Protokollanalysator Internet Advisor J4618A Anhang C - Konfiguration ISDN-Router Anhang D - Fast Connect Procedure - Q.931-Part Quellenverzeichnis Literaturverzeichnis Inhalt

6 3 Abkürzungsverzeichnis ACD ACELP ACF ADPCM ARQ ARJ ASN.1 ATM BCF BRJ BRQ CLC CLCAck CNAME CoS CS-ACELP DCF DHCP DNS DRJ DRQ DTMF GCF GRJ GRQ IETF IFP IP IRQ IRR ISDN Automatic Call Distribution Algebraic Code Excited Linear Prediction Admission Confirm Adaptive Differential Pulse Code Modulation Admission Request Admission Reject Abstract Syntax Notation Number ne Asynchronus Transfer Mode Bandwidth Confirm Bandwidth Reject Bandwidth Request Close Logical Channel Close Logical Channel Acknowledge Canonical Name Class of Service Conjugate Structure Algebraic Code Excited Linear Prediction Disengage Confirm Dynamic Host Configuration Protocol Domain Name System Disengage Reject Disengage Request Dual Tone Multifrequency Gatekeeper Confirm Gatekeeper Reject Gatekeeper Request Internet Engineering Task Force Internet Facsimile Protocol Internet Protocol Info Request Info Request Response Integrated Sevices Digital Network Abkürzungsverzeichnis

7 4 IS/SI ISP ITU-T LAN LCF LRJ LRQ MC MCU MP MPLS MP-MLQ MS MSD MSDAck MSDReject MSDRelease N-/B-ISDN NTP LC LCAck LCConfirm LCReject PBX PCM PTS PPP PSQM PSTN QoS RAS RCF International Standard rganization/pen Systems Interconnections Internet Service Provider International Telecommunications Union-Telecommunication Standardization Sector Local Area Network Location Confirm Location Reject Location Request Multipoint Controller Multipoint Control Unit Multipoint Processor Multiprotocol Label Switching Multiple Maximum Likelihood Quantization Mean pinion Score Master Slave Determination Master Slave Determination Acknowledge Master Slave Determination Reject Master Slave Determination Release Narrowband-/Broadband-ISDN Network Time Protocol pen Logical Channel pen Logical Channel Acknowledge pen Logical Channel Confirm pen Logical Channel Reject Private Branch Exchange Pulse Code Modulation Plain ld Telephon System Point-to-Point Protocol Perceptual-Speech-Quality-Measurement Verfahren Public Switched Telephone Network Quality of Service Registration, Admission and Status Registration Confirm Abkürzungsverzeichnis

8 5 RIP RR RRJ RRQ RSVP RTD RTCP RTP SCN SDES SIP SR SSRC TCS TCSAck TCSReject TCSRelease ToS TPKT TSAP UCF UDP UDPTL URJ URQ VoIP WAN Request in Progress Receiver Report RTCP Packet Registration Reject Registration Request Resource Reservation Protocol Round Trip Delay Real-Time Transport Control Protocol Real-Time Transport Protocol Switched Circiut Network Source Description RTCP Packet Session Initiation Protocol Sender Report RTCP Packet Synchronization Source Identifier Terminal Capability Set Terminal Capability Set Acknowledge Terminal Capability Set Reject Terminal Capability Set Release Type-of-Service Transport Packet Protocol Transport layer Service Access Point Unregistration Confirm User Datagramm Protocol Facsimile UDP Transport Layer Protocol Unregistration Reject Unregistration Request Voice over Internet Protocol Wide Area Network Abkürzungsverzeichnis

9 6 1 Einleitung Unsere heutige Kommunikationswelt wird von Begriffen wie Multiservice Networking und Konvergenz geprägt. Dieses geht einher mit einer immer stärker werdenden Nachfrage nach Multimedia-Anwendungen. Resultierend aus der Stellung der IP-Plattform in der Datenübertragung und -kommunikation erhalten Multiservice Networking und im speziellen Multimedia over IP und die Konvergenz der Netze immer größere Bedeutung. Als eine erste Multimedia-Anwendung hat die Voice over IP Technologie in der Praxis ihren Einzug gehalten. Diese findet ihren Ursprung in dem 1996 von der ITU verabschiedeten Videokommunikationsstandard H.323. Heute dient dieser Standard als Rahmen für weitere Spezifikationen wie das H.225 und H.245, die Signalisierungs- und Bandbreitenaspekte für Voice over IP behandeln. Neben dem von der ITU entwickelten Standard hat die IETF das Session Initiation Protocol (SIP) entwickelt. Derzeit ist noch nicht abzusehen, in welcher Netzstruktur (LAN/WAN) sich welche der beiden Empfehlungen am Markt durchsetzen werden. Als Vorteil für die H.323-Empfehlung steht eine längere Marktpräsenz, die auf das Entwicklungsdatum zurückzuführen ist und der bereits erfolgreiche Produkteinsatz vorwiegend in Unternehmensnetzen. Diese Arbeit zum Thema VoIP behandelt in einem einleitenden Teil (Kapitel 2) ausgewählte Anwendungsszenarien für VoIP in Unternehmensnetzen, die Parameter der Verbindungsqualität und eine kurze, grundlegende Heranführung an die QoS-Problematik in IP-Netzen. Dabei wird zu diesen Punkten nur ein zusammenfassender Überblick gegeben. Im Haupteil dieser Arbeit (Kapitel 3) erfolgt die Analyse von Protokollen aus der H.323-Empfehlung. Das Kapitel 4 beinhaltet das Laborkonzept der FHL und Anmerkungen zum Laborversuch. Da VoIP in dieser Arbeit schwerpunktmäßig auf den Einsatz in Unternehmensnetzen fokussiert ist, sind in diesem Zusammenhang im Kapitel 5 die Vorteile und Grenzen dieser Technologie aufgezeigt. Das Kapitel 6 beinhaltet Zusammenfassung und Anregungen für weiterführende Aufgaben, die das komplexe Thema von VoIP nicht nur in Hinsicht auf H.323 weiterbearbeiten sollen. Einleitung

10 7 Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Protokollanalyse der im Labornetz der FHL umgesetzten H.323-Protokolle (siehe Kapitel 3). Das H.450- und das H.235- Protokoll sowie der Datenkommunikationsstandard T.120 werden hier nicht behandelt! Zu diesen Standards wird auf das Kapitel 6 in dieser Arbeit verwiesen. Die Audio-/Video-Codecs und die Schichten eins bis drei, einschließlich TCP/UDP in der Schicht vier des SI-Referenzmodells, sind ebenfalls nicht Bestandteil der Analyse! In Bezug auf die Protokollanalyse der anderen H.323-Protokolle (siehe Kapitel 3.2) besteht eine Einschränkung innerhalb der RAS-Nachrichten (siehe Kapitel 3.4.2) und der H.245-Nachrichten (außer pen Logical Channel Messages / siehe Kapitel 3.5.2). Deren Rahmenstruktur konnte trotz intensiver Recherche nicht eindeutig ermittelt werden. In Absprache mit dem Themensteller wurde dieses zugunsten einer detaillierten ASN.1-Beschreibung spezifischer Nachrichten aus der Arbeit herausgelöst. Das im Kapitel behandelte Q.931-Anruf- Signalisierungsprotokoll beinhaltet nur die für das Labornetz der FHL relevanten H.225-Modifikationen mit den entsprechenden Q.931-Nachrichtentypen bzw. Q.931-Informationselementen. Auf den Q.932-Standard wird in dieser Arbeit nicht eingegangen! Einleitung

11 PRFESSINAL WR KSTA TI N PRFESSINAL WRKSTATIN Ω V70 SD SD LNK SESSIN SESSIN TS T PWR SeD n L AN Video Gateway Serial Port # # SD SD 8 2 Einstieg in die VoIP Technologie 2.1 Motivation und Einsatzszenarien Voice over IP ist eine Technologie, für den Transport von Sprache und Signalisierungsinformationen über Internet Protocol (IP) basierte Datennetze. Diese Konvergenz schafft die Voraussetzung für eine einheitliche Kommunikationsplattform, z.b. für Sprach-/Daten-/Videokonferenzsysteme und Messaging Systems. Vor allem in Unternehmensnetzen wird auf Grund einer einheitlichen Infrastruktur für Sprache und Daten eine ptimierung von Arbeitsabläufen und -prozessen erzielt. In diesem Bereich bieten sich verschiedene Möglichkeiten für den Einsatz von VoIP. PC-zu-Telefon Variante Bei dieser Variante befindet sich ein Computer mit einer VoIP-Software in einem IP-basierten Netz, wie z.b. Internet, Intranet (Bild 2-1). Die Anschaltung an die ISDN-Seite erfolgt über ein VoIP-Gateway. Dieses hat die Aufgabe, die digitale Sprache aus dem ISDN in Pakete zu packen und an den PC im paketvermittelten IP-Netz weiterzuleiten. Für einen Anruf aus dem IP-Netz in das ISDN muss das Gateway die Sprachpakete in einen Sprach-Bitstrom umwandeln. Gleichzeitig wird über dieses Gateway eine Adresstranslation von IP-Adresse in E.164- Adressformat (Telefonnummer) und umgekehrt durchgeführt. Multimedia PC mit IP-Adresse und Rufnummer IP-Netz VISIN LAN WAN VoIP Gateway L2W-323/4E ISDN TK-Anlage ISDN * * Bild 2-1: PC-zu-Telefon Motivation und Einsatzszenarien

12 SD SD LAN VI SI N LN K SE SS IN SESSIN WAN TST PWR L2W-32 3 /4E SeD n LA N V ideogateway Ser ial Port LAN VI SI N LN K SE SS IN SES SI N WAN TST PW R L2W-32 3 /4E SeD n LA N V ideogateway Ser ial Port SD SD 9 Telefon-zu-Telefon Variante In dieser Anwendung von VoIP kommen auf beiden Kommunikationsseiten VoIP- Gateways zum Einsatz. Hierbei wird ein Anruf aus einer lokalen TK-Struktur an ein VoIP-Gateway übergeben. Von hier wird der Anruf über das Intranet zum VoIP- Gateway der Gegenseite weitergeleitet und gelangt anschließend zum Zielteilnehmer. Damit kann über diese Variante eine standortübergreifende Kopplung von lokalen TK-Anlagen über ein unternehmensweites Extranet erfolgen. Die TK-Infrastruktur der einzelnen Standorte bleibt dabei erhalten. * 0 # ISDN TK-Anlage VoIP Gateway IP-Netz z.b.intranet VoIP Gateway ISDN TK-Anlage * 0 # * 0 # ISDN ISDN * 0 # Bild 2-2: Telefon-zu-Telefon IP-PBX (LAN-PBX) Mit dieser Systemlösung besteht die Möglichkeit, VoIP-Dienste in einem lokalen IP-basierten Netzwerk zu implementieren und so TK-Anlagen-Funktionen nachzubilden. Das Kernstück einer IP-PBX-Architektur ist der Server (Gatekeeper siehe Kapitel 3.3). Dieser ist für sämtliche Vermittlungsfunktionen und Verbindungsanforderungen zuständig. Gleichzeitig verwaltet er die registrierten Teilnehmer und statistische Informationen über den Zustand und Auslastung von Verbindungen. In diesem Server können Zusatzdienste/Komfortmerkmale (Supplementary Services) wie ACD, Messaging Service (z.b. Voice Mail) und Gebühreninformation integriert sein. Der zweite wesentliche Bestandteil dieser Struktur ist das Gateway (siehe Kapitel 3.3). Dieses bietet eine Brückenfunktionalität zwischen den Teilnehmern des paket-vermittelten Netzes und der PSTN-Seite. Zusätzlich kann diese Gateway auch für den Betrieb an einer TK-Anlage konzipiert werden. Motivation und Einsatzszenarien

13 R pentium... Ω PRLIANT 5000 Professional Workstation 5000 SD P110 SD # SIEMENS SD Pr ofe ssional Wo rkstation 5000 VISIN P110 SD LAN LNK SESSIN SESSIN WAN # TS T PW R SIEMENS SD SeD n LAN Video Gateway Serial Port SD 10 Damit bietet die IP-PBX-Variante nicht nur den Ersatz für eine bestehende TK- Anlagenstruktur, sondern kann diese auch sinnvoll ergänzen (Bild 2-3). Als Endgerät einer VoIP-Anwendung kann ein PC-Client eingesetzt werden. Dieser wird mit Hilfe einer VoIP-Client-Software, Soundkarte und Multimedia-Ausstattung zu einem universellen Kommunikationspartner. Der PC besitzt eine grafische berfläche die vorzugsweise einem Telefon nachbildet ist. Wird als Endgerät ein IP-Telefon eingesetzt, besteht der wesentliche Unterschied zum klassischen Telefon darin, dass dieses einen RJ45-Anschluss für die LAN-Kopplung und eine IP-Adresse hat sowie an die IP-Telefonie angepasste Signalisierungsprotokolle (H.323) umsetzt. IP-PBX Server (Gatekeeper) Gateway L2W-323/4E öffentliches Telefonnetz 9200 TK-Anlage * * Multimedia-PC IP-Phone Multimedia-PC IP-Phone Bild 2-3: IP-PBX als Ergänzung zu einer TK-Anlage Die zuvor genannten Beispiele für den Einsatz von VoIP zeigen neben einer Konvergenz der Kommunikationsfunktionen auch die Reduzierung der Installation auf eine einheitliche Netzstruktur sowie einer Administrationsplattform. Zusätzlich ergeben sich kosteneffizientere Anbindungsmöglichkeiten von unterschiedlichen Standorten. Dieses kann auf Grund anderer Sprachkodierungen erreicht werden. Dabei können anstatt nur einer Verbindung über einen ISDN-Basiskanal, bis zu vier Anrufe mit einem geeigneten Audio-Codec (siehe Tabelle 2-1) geführt werden. Motivation und Einsatzszenarien

14 Parameter der Verbindungsqualität Auf dem Übertragungsweg zwischen Sender und Empfänger gibt es verschiedene Faktoren, die für die Verbindungsqualität und damit für die Sprachqualität über IPbasierte Netze von Bedeutung sind. In der klassischen leitungsvermittelten Telefonie sind die Teilnehmer quasi physikalisch verbunden, wodurch die gewohnte hohe Qualität erreicht wird. In der IP-Telefonie sind die Kommunikationspartner nur auf einer logischer Ebene miteinander verbunden. Hinzu kommt die Mehrfachnutzung der dazwischen liegenden Übertragungswege. Parameter für die Verbindungsqualität: Verzögerung (Delay) bzw. Latenz (Latency) Dieser Parameter (siehe Bild 2-4) beinhaltet die benötigte Zeitdauer der Sprache vom Mund des Sprechenden (Sender) bis zum hr des Hörenden (Empfänger). Bild 2-4: Verzögerung /9/ Für das leitungsvermittelte und verbindungsorientierte klassische Telefonnetz wurde eine Ende-zu-Ende-Laufzeit im nationalen Bereich von 25 ms und im internationalen Bereich von 100 ms festgelegt. Als Grenzwert gilt hier die von der ITU-T in der G.114 Empfehlung festgelegte einseitige Ende-zu-Ende-Verzögerung von 150 ms. Zu diesen Werten kommen noch IP-Netz-basierte Verzögerungen durch Paketierungs-Einrichtungen, Kodierung/Dekodierung, Speicherung im Netzwerk und durch die Netzlastsituation. Parameter der Verbindungsqualität

15 12 Jitter Mit Jitter wird die Zeitschwankung zwischen der erwarteten Ankunft und dem tatsächlichen Eintreffen der einzelnen Pakete beschrieben. Da Sprache im Gegensatz zu Daten isochron übertragen wird, müssen die Sender die Sprach-Pakete zuverlässig in regelmäßigen Abständen aussenden. Sollte durch die Eigenschaften des Paketnetzes eine Verzögerung am Empfänger auftreten, kann durch den Einsatz von Jitter- Puffern diese Verzögerung kompensiert werden. Dabei ist zu beachten, dass Jitter nicht identisch mit der Gesamtverzögerung ist und nur in Abhängigkeit seiner Auftrittshäufigkeit Einfluss auf die gesamte Verzögerung in einem Paketnetzwerk nimmt (siehe Bild 2-5). Bild 2-5: Jitter /9/ Paketverlust (Packet-Loss) Paketverluste können z.b. durch Netzüberlastung oder durch Leitungsstörungen auftreten (siehe Bild 2-6). Bild 2-6: Paketverlust /9/ Parameter der Verbindungsqualität

16 13 Sequenz Fehler (Sequence-Error) Diese Größe beschreibt eine abweichende Reihenfolge der Pakete am Empfänger. Eine der häufigsten Ursachen sind Re-Routing Maßnahmen einzelner und zu einer Übertragung gehörender Pakete, z.b. durch eine Überlast im Netzwerk. Dadurch erreichen diese Pakete ihr Ziel auf einem anderen und eventuell langsameren Weg (siehe Bild 2-7). Bild 2-7: Sequenz Fehler /9/ Zu den zuvor genannten Parametern der Verbindungsqualität in IP Netzen kommen zusätzliche Faktoren, die durch die Digitalisierung der Sprache entstehen. Die ITU-T hat für die Sprachdigitalisierung Algorithmen sogenannte Codecs in der G-Reihe spezifiziert. In der Tabelle 2-1 sind einige dieser Audio- Codecs mit ihren Eigenschaften aufgelistet. Tabelle 2-1: Audio-Codecs Standard Coding Type Bitrate (kbit/s) Audio-Frame (ms) MS Delay (ms) G.711 PCM 64 0,125 4,3 0,125 G.726 ADPCM 32 0,125 4,0 0,125 G.729 CS-ACELP ,0 15 G ACELP 6,3 MP-MLQ 5,3 30 3,8 37,5 Diese Codecs unterscheiden sich in Hinsicht ihrer Verarbeitungsgeschwindigkeit, der notwendigen Rechenleistung, der Sprachqualität und im Komprimierungsgrad. Dabei geht die Verarbeitungsgeschwindigkeit direkt in die Verzögerung (Delay) der Sprachverbindung ein. Weitere Verluste entstehen durch die notwendige A/Dund D/A-Wandlung der Signale. Parameter der Verbindungsqualität

17 14 Der in der Tabelle 2-1 angegebene MS-Wert ist ein Maß für die Sprachqualität. Dieser geht aus einem Test hervor, der 1980 von der ITU in der P.800- Empfehlung verabschiedet wurde. Dabei wurden einer Gruppe von Menschen unter definierten Bedingungen verschiedene Sprachproben vorgespielt. Die Parameter sind: - das Verstehen eines Sprechers (Listening Test) - ein Gesprächstest (Conversation Test) - die für das Verstehen notwendige Anstrengung (Listening Effort) - die empfundene Lautstärke (Loudness Preference) Die Bewertung dieser Tests erfolgt nach dem Schulnotenprinzip und gibt in der Auswertung einen Wert wieder, der die Meinung einer Testperson repräsentiert. Das ist der Mean-pinion-Score (MS), dessen Werte zwischen 1,0 für schlecht und 5,0 für sehr gut liegen können. Für die herkömmliche Telefonie wird ein MS von 4,0 angegeben. Auf Grund der Nachteile dieses Tests, wie zeitlicher und organisatorischer Aufwand, wurde 1996 das objektivere und exakter reproduzierbare Perceptual-Speech-Quality-Measurement Verfahren (PSQM) in der ITU P.861 Empfehlung verabschiedet. Mit der 1997 von der ITU vorgestellten Erweiterung PSQM+ sind objektive Sprachqualitätsbewertungen von ganzen Netzwerken und Übertragungsstrecken möglich. Ein weiteres, sich gerade in der Standardisierungsphase durch die ITU und ETSI befindendes Bewertungsverfahren, ist das von der Deutschen Telekom T-Nova Berkom entwickelte Telecommunication-Qbjective-Speech-Quality-Assessment Verfahren (TSQA). Hierbei bildet der Vergleich zwischen Ursprungs- und Empfangssignal die Basis der Bewertung. Gleichzeitig werden konstante und variable Laufzeiten sowie Jitter und Verlust von Sprachpaketen berücksichtigt. Für detailliertere Informationen über diese Bewertungsverfahren wird an dieser Stelle auf die entsprechenden Empfehlungen verwiesen. Parameter der Verbindungsqualität

18 Quality of Service Anforderung Das Internet Protocol ist ein verbindungsloses Schicht 3 Protokoll des IS/SI Modells. Wird das IP auf das ebenfalls verbindungslose Ethernet der Schicht 2 aufgesetzt, fehlen wichtige Mechanismen wie eine anwendungsbezogene Bandbreitenbereitstellung und die Implementierung des QoS wie in der ATM- Technologie. Die Begründung liegt darin, dass IP und Ethernet nicht für Echtzeitkommunikation entwickelt wurden. Ansätze und Möglichkeiten einen sogenannten Class-of-Service (Dienste-Klassen) in IP Netzen zu erhalten, bestehen über Priorisierung und Reservierung von Ressourcen. Dazu gibt es zwei grundsätzliche Modelle. DiffServ-Modell (Differentiated Service) In diesem Modell werden die IP-Pakete in 8 verschiedene Service-Klassen eingeteilt. Dazu wird das ToS-Byte (hier auch als Differentiated-Service-Byte bezeichnet) des IP-Headers verwendet. Anhand der Priorisierung der Pakete, werden diese auf Gateways und Netzknoten in Warteschlangen (Queues) zugeordnet. In Abhängigkeit der Priorität werden die Pakete dann weitergeleitet. IntServ-Modell (Integrated Services) Dieses Modell beschreibt eine Ende-zu-Ende Bandbreitenreservierung, d.h. über ein gesamtes Netz. Damit besteht die Möglichkeit einer flexiblen und dynamischen Bandbreitenverwaltung in einem Netz. Zu diesem Zweck wird das RSVP eingesetzt. Dabei signalisiert ein Endpunkt dem Netz seinen Bandbreitenbedarf und die maximale Verzögerung, die durch das Netz auftreten darf. Nachdem alle Netzelemente die Einhaltung der Vorgaben zugesichert haben, wird die Verbindung freigegeben. Nachteilig ist, dass jeder Router, der sich im Kommunikationspfad befindet, dieses Protokoll unterstützen muss. Diese Modelle zeigen nur zusammenfassend zwei Wege zur nachträglichen Umsetzung von QoS in IP-Netzen. Berücksichtigt werden muss in diesem Zusammenhang die Entwicklung von MPLS, welches u.a. eine verbindungsorientierte Kommunikation über IP-basierte Netzwerke ermöglicht. Hinzu kommen noch herstellerspezifische Implementationen in Netzelementen, um die Verbindungsqualität (Parameter) in Bezug auf VoIP zu gewährleisten. Quality of Service Anforderung

19 16 3 Die H.323 Protokollfamilie 3.1 Der H.323-Protokoll-Stack Die ITU-T Empfehlung H.323 spezifiziert Protokolle, Dienste und Geräte für die multimediale Kommunikation über paket-basierte Netzwerke ohne eigene QoS- Mechanismen. Diese Rahmenspezifikation beinhaltet eine Reihe weiterer ITU-T- Empfehlungen, die jeweils die zugrunde liegenden Prozeduren beschreiben. Die Abbildung 3-1 enthält eine Zuordnung dieser Empfehlungen im SI- Schichtenmodell. Dabei sind die in den Schichten eins und zwei eingesetzten Protokolle und Dienste dieses Modells nicht Bestandteil der H.323-Empfehlung. Die Grunddefinition des bevorzugten Anwendungsumfelds geht zunächst davon aus, dass auf der Empfehlung basierende Geräte innerhalb eines LAN-Segments oder -Rings z.b. auf Ethernet / Fast Ethernet (IEEE / IEEE ), Token Ring (IEEE 802.5) oder FDDI eingesetzt werden, um die volle Leistungsfähigkeit zu gewährleisten. Bild 3-1: H.323 Protokoll-Stack /8/ Der H.323 Protokoll-Stack

20 Der HiNet-Protokoll-Stack Als Voraussetzung für die Protokollanalyse wurde im Vorfeld und im Rahmen dieser Arbeit ein Labornetz (Bez. HiNet) in der FHL aufgebaut und konfiguriert. Auf diese Plattform wurde die VoIP-Lösung HiPath Version 2.5 von der Firma Siemens aufgesetzt. Die Details zum Labornetz (HiNet) und der eingesetzten VoIP- Software können im Kapitel 4 nachgelesen werden. Für die Analyse der umgesetzten H.323-Protokolle wurde der Analysator Internet Advisor von der Firma Agilent in das LAN eingebunden. Dabei kommt das Softwaremodul Telegra-RQM J4618A zum Einsatz. Damit besteht u.a. die Möglichkeit, die H.323-Protokolle zu analysieren, eine Echtzeit-Fehlersuche durchzuführen sowie QoS-Parameter (Jitter, Packet-Loss) zu monitoren. Der Datenkommunikationsstandard T.120 ist in dieser Software nicht implementiert und kann daher nicht ausgewertet werden. Im Bild 3-2 sind die analysierten Protokolle im SI-Modell dargestellt. Application Layer Audio Signals G.711 G Data T.120 Presentation Layer Session Layer Transport Layer RTCP RTP RAS (H.225) H.225v2 (Q.931) Control H.245v2/v3 UDP TCP Network Layer Data Link Layer Physical Layer IP Ethernet DIX V2 Fast Ethernet Bild 3-2: HiNet-Protokoll-Stack Der HiNet-Protokoll-Stack

21 18 Eine Videokommunikationsverbindung ist über die derzeitige VoIP-Software- Release nicht möglich. Für diese Anwendungsart kann aber z.b. Microsoft Netmeeting verwendet werden, das den Videokommunikations-Standard H.263 umsetzt. Zu beachten ist allerdings, dass alle HiPath-Applikationen auf den Client- PC s geschlossen werden müssen, damit Netmeeting auf diesen gestartet werden kann. Gegenstand der Protokollanalyse in dieser Arbeit sind die über HiPath umgesetzten Protokolle. Die Schichten eins bis drei, einschließlich TCP/UDP der Schicht vier im SI-Schichtenmodell sind nicht Bestandteil der Analyse. Diese sind in den aufgezeigten Beispiel-Frames der jeweiligen Kapitel grau unterlegt. Das nachfolgende Beispiel soll daher einmalig die Struktur (Bild 3-3) dieser Protokolle zeigen (Bild 3-4 bis Bild 3-7). Transport Layer TCP HEAD (20 kt.) oder UDP HEAD (8 kt.) Payload Network Layer IP HEAD (20 kt.) Payload Data Link- / Physical Layer DIX V2.0 (14 kt) Payload FCS (4 kt) 3-3: Struktur Source Port Sequence Number Acknowledge Number Window Size Checksum b8 4d e0 a3 be a f8 1a Destination Port Data ffset; Flags (0x18) Urgent Pointer Bild 3-4: TCP-Header Source Port Length (#148) b c7 d7 Destination Port Checksum Bild 3-5: UDP-Header Der HiNet-Protokoll-Stack

22 19 IP Version 4 Header Length (#20) ID TTL Header Checksum Source Adress ( ) b0 8a 5b c0 a8 1e 49 c0 a8 1e 33 Type of Service Packet Length (#176) Protocol (TCP) Destination Adress ( ) Bild 3-6: IP-Header Destination Adress (MAC) Type Field (TCP/IP) b f3 b b f Bild 3-7: Ethernet (DIX V2)-Header Source Adress (MAC) Im Anhang B dieser Arbeit befindet sich die Kurzbedienungsanleitung des Protokoll-Analysators Internet Advisor Telegra-RQM J4618A. Die in den Nachrichten-Beispielen angebenen Frame-Nummern können dem externen Anhang entnommen werden. Die in diesen Beispielen (Frames) nicht farbig unterlegten ktetts konnten nicht eindeutig ausgewertet werden (Ausnahme siehe H.245 pen Logical Channel Message)! Der HiNet-Protokoll-Stack

23 Die H.323-Zone und ihre Elemente In der H.323-Empfehlung wird eine sogenannte H.323-Zone definiert, die aus verschiedenen Elementen besteht. Diese Elemente sind Gatekeeper, Gateways, Multi-Point-Control-Units (MCU s) und Terminals (Endpunkte). Die Kommunikationsbeziehung der H.323-Elemente mit anderen H.32x- und V.70- Teilnehmern ist im Bild 3-8 dargestellt. Scope of H.323 H.323 Terminal H.323 MCU Packet Based Network (Note) H.323 Gatekeeper H.323 Gateway H.323 Terminal H.323 Terminal GSTN Guaranteed QS LAN N-ISDN B-ISDN H.310 terminal operating in H.321 mode V.70 Terminal H.324 Terminal Speech Terminal H.322 Terminal Speech Terminal H.320 Terminal H.321 Terminal H.321 Terminal NTE A gateway may support one or more of the GSTN, N-ISDN and/or B-ISDN connections. Bild 3-8: H.323-Zone /2/ T Die H.323-Zone und ihre Elemente

24 21 Terminal (Endpunkt) Die H.323-Terminals dienen zur Echtzeitübertragung von Sprache, Video und Daten. Dabei muss die Sprachübertragung zwingend unterstützt werden, während Video- und Datenkommunikation optional sind. Die Definition eines Terminals nach der H.323-Empfehlung geht aus der Abbildung 3-9 hervor. Scope of Rec. H.323 Video I/ equipment Video Codec H.261, H.263 Audio I/ equipment Audio Codec G.711, G.723 G.722, G.728 G.729 Receive Path Delay User Data Applications, T.120 etc. H.225 Layer Local Area Network Interface System Control H.245 Control System Control User Interface Call Control H.225 RAS Control H.225 Bild 3-9: Terminal-Definition /2/ Video-Codec Kodierung/Dekodierung von Videodaten (z.b. nach H.261) Audio-Codec Kodierung/Dekodierung der Audiosignale; Vorgeschrieben ist mindestens der Audio-Codec G.711 a- und µ-law. ptional sind die anderen im Bild 3-9 genannten Codecs. Im Labornetz der FHL kommen der Audio-Codec nach G.711 und G zum Einsatz (siehe Tabelle 2-1). Die H.323-Zone und ihre Elemente

25 22 Datenkanal Dient zur Unterstützung von Applikationen, wie z.b. Datenbankzugriff, Dateiübertragung und Audiografische Konferenzen. System-Control-Unit Stellt die Signalisierung von Befehlen, Anzeigen und Nachrichten, für die korrekte Funktion der Terminals zur Verfügung. Weiterhin dient es der Verbindungssteuerung und dem Fähigkeits-Austausch. H.225 Layer Formatiert die zu übertragenden Audio-, Video-, Daten- und Steuerungs-Ströme für die Ausgabe zum LAN-Interface und umgekehrt. Zusätzlich werden logische Rahmen und Sequenz-Nummern gebildet und eine Fehlererkennung/-korrektur für den entsprechenden Medientyp durchgeführt. Gateway In einem H.323-Gateway sind die Eigenschaften eines H.323-Terminals und die eines SCN-Endpunktes implementiert. Die wesentlichen Aufgaben des Gateway beinhalten die Übersetzung zwischen Übermittlungsformaten (z.b. H.225 zu/von H.221) und zwischen Kommunikationsverfahren (z.b. H.245 zu/von H.242). Dabei ist der Verbindungsaufbau und -abbau sowohl auf der Paketnetz-Seite (z.b. IP), als auch auf der SCN-Seite Bestandteil notwendiger Gatewayfunktionen. Auf eine Einbindung des Gateways in eine H.323-Zone kann verzichtet werden, wenn keine Verbindung zum SCN erforderlich ist. Im Bild 3-10 sind die funktionalen Komponenten eines Gateways dargestellt. Daraus ist ersichtlich, dass ein Gateway auf der H.323-Seite als Terminal oder eine MCU und auf der SCN-Seite als Terminal oder MCU fungieren kann. Das Gateway kann allerdings auch auf beiden Netzseiten als MCU arbeiten. Das im Labornetz der FHL eingesetzte H.323 Terminal oder MCU-Funktion Umwandlung / Gateway hat keine Transcodierung MCU-Funktionalität Funktion implementiert. Gateway SCN-Terminal IP-Netzwerk Switched-Circuit- Netzwerk (SCN) H.323 Terminal Bild 3-10: Gateway-Komponenten /1//2/ Umwandlung / Transcodierung SCN-Terminal oder MCU-Funktion IP-Netzwerk Gateway Switched-Circuit- Netzwerk (SCN) Die H.323-Zone und ihre Elemente

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